OFC2022: Intel的硅光版图

今年的OFC会议上，Intel有多个报告，报道了其在硅光领域的核心器件进展以及未来的布局，小豆芽这里简单整理下，供大家参考。

1. 800G DR8和2xFR4的硅光发送器

系统的框架图如下图所示，包含8个异质集成的InP激光器，8个高速MZM调制器以及两个MUX。每个调制器对应100G PAM4的调制速率，总计800Gbps的信号速率。

（图片文献1）

作为业界首款800G的硅光Tx, Intel对激光器与调制器进行了详实的表征。激光器可以满足可靠性与使用寿命的要求，激光器在80度时仍然可以输出30mW的光功率，并且可稳定工作10000小时。激光器的RIN值小于-150dB/Hz, 边模抑制比SMSR大于45dB。具体的测试结果如下图所示，

（图片来自文献1）

Intel对其TWMZM(travelling-wave MZM)调制器进行了进一步的优化，采用差分信号驱动的方式，EO转换的3dB带宽可以达到30GHz, 可支持100G PAM4速率的信号调制。

（图片来自文献1）

室温与80度的眼图测试结果如下图所示，ER都大于7.5dB。

（图片来自文献1）

2. 240Gbps的高速微环调制器

Intel对其微环调制器做了进一步的优化，调制效率为0.54V*cm, EO带宽为54GHz, 并验证了240Gbps的PAM4信号传输。Intel采用L型的PN结设计，其调制效率优于传统的横向PN结设计，如下图所示。采用金属热电极进行温度调节，控制微环的共振波长。微环的半径为4um，对应16.3nm的FSR。

（图片来自文献2）

其小信号与大信号的测试结果如下图所示，EO带宽为54GHz, 可实现240Gbps速率的PAM4信号传输，测试时Vpp为1.8V。

（图片来自文献2）

Intel还针对微环调制器设计了专门的驱动电路，利用PN结的光电流监控微环的工作波长，电路如下图所示。该电路可实现2.5Vpp的高速信号输出，用于对微环的106Gbps PAM4信号驱动。电路的功耗为1.33pJ/bit。

（图片来自文献3）

3. CPO与Optical I/O的布局

Intel fellow Lin Liao博士详细介绍了Intel在Co-packaged optics(以下简称CPO)与optical I/O的布局。利用其硅光平台多年的技术积累，其核心的IP如下图所示，包括异质集成的InP激光器、高速微环调制器及其控制电路、高效的Serdes设计、先进封装等方面。

Intel在去年演示了其1.6Tbps的CPO模块，如下图所示，芯片的面积为25mm*22mm, 带宽密度比transceiver提高了40倍，能效比提高了30%。

具体的PIC版图如下图所示，芯片中包含：

1）32个DFB激光器，实际工作时只需要16个，另外16个作为冗余

2）16个MZI开关，用于切换激光器

3）16个微环调制器，每个调制器实现106Gbps PAM4的信号传输，合计1.6Tbps

4）16个模式转换器，用于将波导模式转换为大模斑与单模光纤匹配

5）V-groove阵列， 用于实现passive的耦合对准

在Optical I/O方面，Intel展示了混合集成芯片的3D封装结构，如下图所示，PIC倒装在EIC上，EIC芯片与计算芯片XPU在基板上通过EMIB互联。其目标的功耗为3pJ/bit, 每根光纤传输1Tbps的数据。

PIC版图如下图所示，与CPO的版图非常类似，区别在于Optical I/O采用了8个波长的微环调制器，每个调制器对应64Gbps的速率，供8个通道，总带宽为4Tbps。另外片上还集成了SOA, 可能是为了补偿一部分的链路损耗。

Liao Ling博士的报告上，还提出了硅光技术的摩尔定律，比较有意思。光器件数目差不多也是1年半翻一翻。需要说明的是，这里的纵坐标是per PIC，而不是per area, 强调的是系统复杂度与规模的提升，而不是底层器件的尺寸缩小。这张图涉及到了大规模集成光路的应用，包括Opitcal IO, LiDAR和Optical Compute等。

Intel硅光产品线的整体布局如下图所示，包括transceiver, CPO和Opitcal IO。其带宽与能效比也是逐步提升。CPO的功耗为<17pJ/bit, Optical IO的功耗比4pJ/bit。

以上是对今年OFC上Intel相关报告的整理，Intel展示了其可靠的InP激光器、240Gbps的微环调制器及其控制电路。在这些核心IP的基础上，Intel演示了800G的硅光发送器，并展示了其在CPO与Optical IO的布局，三个方向都在稳步向前推进。小豆芽最近一直在思考，硅光的优势究竟在哪里？硅光光模块的成本优势？可能不是，更过的应该关注于其他方案无法替代的领域，CPO与Optical IO这两者可以充分发挥硅光芯片集成度与功耗方面的优势，解决芯片带宽的痛点，或许这才是硅光未来真正的用武之地。关于硅光优势的问题，也欢迎大家留言讨论。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。也欢迎大家向我提问，小豆芽会尽自己的能力给出解释。

参考文献：

1. H. Yu, et.al., "800 Gbps Fully Integrated Silicon Photonics Transmitter for Data Center Applications", OFC 2022
2. M. Sakib, et.al., "A 240 Gb/s PAM4 Silicon Micro-Ring Optical Modulator", OFC 2022
3. H. Li, et.al, "A 106 Gb/s 2.5 Vppd Linear Microring Modulator Driver with Integrated Photocurrent Sensor in 28nm CMOS", OFC 2022